1. πЛАНЕТА ЛЮДЕЙ
71http://www.ecolife.ru
К
огда традиционный привод с использованием
двигателя внутреннего сгорания (ДВС) уже не
может отвечать новым требованиям, разработка
ведется в области комбинированного или, как его
чаще называют, гибридного привода. Если игнориро-
вать призывы вовсе отказаться от разработки такого
привода как не имеющего перспектив, то достаточно
привлекательным видится производство гибридов с
использованием в качестве дополнительного источни-
ка мощности хорошо известного электропривода*.
Электропривод достаточно изучен и самостоятельно
применяется на многих видах городского транспорта,
поэтому его комбинация с традиционным ДВС выгля-
дит наиболее доступной и логичной. Что же не устраи-
вает производителей в современном ДВС и заставляет
работать над принципиально новым автомобилем,
усложняя его конструкцию? Как ни странно, в первую
очередь проблема кроется в универсальности и мо-
бильности современного автомобиля.
Автомобиль, который будет востребован покупате-
лем, должен быть одновременно вместительным, ди-
намичным, иметь высокую максимальную скорость
и вместе с тем экономичным, экологически чистым и
недорогим. Но эти характеристики плохо сочетаются
Перспективы
гибридных автомобилей
Л.А. Скрипко
кандидат технических наук
МАДИ (ГТУ)
Необходимость снижать расход топлива автомобилей существует, пожалуй, со дня их со-
здания и становится более актуальной в последние десятилетия. Еще одна серьезная про-
блема — это нагрузка на экологию городов из-за роста автопарка. Так, за последние
10 лет число автомобилей в России возросло на 50%, и основная доля прироста наблюда-
ется в крупных городах со сложной экологической ситуацией. Приближение топливного
кризиса и угроза экологической катастрофы вынуждают производителей отказываться
от устаревших технологий и разрабатывать принципиально новые транспортные средства
вплоть до экзотических, но во всех случаях единственная цель — снизить потребление
топлива и выброс вредных веществ.
* О гибридном автомобиле см. также статью А.Б. Захаренко
«Совершенствуя колесо» («ЭиЖ», 2005, № 5, С. 25–27).
4-2012-5.indd 714-2012-5.indd 71 05.04.2012 16:05:2305.04.2012 16:05:23

2. πЛАНЕТА ЛЮДЕЙ
ЭКОЛОГИЯ И ЖИЗНЬ · 4(125)’201272
друг с другом. Поиск оптимального соотношения ди-
намических и экономических показателей автомоби-
ля — основная задача конструкторов, а создание высо-
котехнологичного ДВС является залогом успешности
будущего автомобиля.
Являясь единственным источником энергии на ав-
томобиле, ДВС отвечает и за динамические характери-
стики автомобиля, и за экономию топлива, и за эколо-
гичность. Так почему же давно известный ДВС не
способен удовлетворить всем требованиям в полной
мере и конструкторы начали работу над гибридом,
где в помощь ДВС призваны дополнительные систе-
мы, в основном электропривод? Наглядной иллюстра-
цией возможностей ДВС является его многопараме-
тровая характеристика (рис. 1), которая показывает
зависимость удельного расхода топлива в координатах
момента и оборотов. Проще говоря, это зависимость
объема расходуемого бензина от количества энергии,
выработанной ДВС: чем больше количество энер-
гии, выработанной при потреблении одного и того же
объема бензина, тем двигатель экономичнее или эко-
номичнее режим его работы.
Как следует из характеристики, удельный расход
топлива неравномерен и существенно зависит от
мощности ДВС, т. е. от соотношения момента и обо-
ротов. Разница в экономичности может составлять до
300% для разных значений мощности. Минимальный
удельный расход современных бензиновых ДВС равен
примерно 240–250 г/кВт·ч и соответствует достаточно
узкой области на характеристике, а значит, может быть
получен только при определенном и зачастую крат-
ковременном режиме работы. Как правило, мини-
мальный удельный расход топлива ДВС находится
в зоне номинальной (близкой к максимальной) мощ-
ности. Очевидно, что этот режим весьма ограничен по
времени и используется крайне редко. Если речь идет
о мощных спортивных автомобилях, эксплуатируемых
в городе, где невозможно использовать ДВС на макси-
муме возможностей, то экономичный режим сложно
получить вообще.
Зачастую можно услышать о том, что та же модель
автомобиля, но с более мощным ДВС, т. е. с дви-
гателем большего объема, менее экономична, при-
чем повышенный расход топлива однозначно свя-
зывают именно с большей мощностью, не поясняя,
почему разные ДВС, выполняя одинаковую работу
по перемещению одного и того же автомобиля, затра-
чивают разное количество топлива. Очевидно, что
затраты энергии для перемещения данного автомоби-
ля не зависят от типа и мощности ДВС, а определя-
ются характеристиками автомобиля, прежде всего
массой.
Секрет кроется в том, что, например, в городском
цикле от ДВС требуются совершенно незначительные
мощности, а, как уже было отмечено, минимальный
расход топлива от ДВС можно получить, работая толь-
ко с максимальной мощностью. Соответственно, имея
на борту более мощный ДВС, автомобиль будет менее
экономичен в городе, так как этот ДВС будет работать
в менее экономичной зоне. Идеально было бы иметь на
борту автомобиля два ДВС — один маломощный, обе-
спечивающий движение в городе, а второй, более мощ-
ный, для движения за городом. На таком «идеальном»
автомобиле оба ДВС всегда бы работали с максималь-
ной мощностью при минимальном расходе топлива.
Так как сегодня такое транспортное средство слож-
но себе представить, то вернемся к традиционному
автомобилю с одним ДВС и коробкой перемены пере-
дач. Какими же методами все же можно повысить
экономичность ДВС? Большое преимущество в этой
связи имеют автомобили, оснащенные многоступен-
чатыми коробками передач. Здесь достижение более
экономичных зон осуществляется за счет быстрого
переключения передач и перехода момента ДВС в эко-
номичную область. Поясним это, используя все ту же
многопараметровую характеристику. Начнем с того,
что выбор мощности ДВС определяется максималь-
ной скоростью автомобиля и необходимой динамикой
разгона. Для примера: мощность ДВС автомобиля
«Калина» 59,5 кВт при 5200 об/мин, а максимальный
крутящий момент 120 Нм при 2500–3000 об/мин. Это
позволяет «Калине» развивать максимальную скорость
160 км/ч и ускоряться до 100 км/ч за 13 с (значения
соответствуют предельным возможностям автомобиля
и встречаются нечасто в повседневном трафике).
Проанализируем многопараметровую характери-
стику ДВС «Калины» и рассчитаем, какие значения
мощности предположительно будут использоваться
наиболее часто. Естественно, существует бесконечное
множество режимов движения автомобиля, которые
зависят как от загруженности дороги или случайного
события, так и от индивидуального стиля езды водите-
ля. Чтобы не углубляться в бесконечное множество
циклов движения, используем условный городской
график SAEj227C с максимальной скоростью движе-
ния 48 км/ч и ускорением до этой скорости за 18 с.
Чтобы сравнить их, на рис. 1 отразим два варианта раз-
гона. Первый вариант с разгоном на первой и второй
передаче при переключении на оборотах двигателя
5000 об/мин. Второй вариант при переключении пере-
дачи с первой по четвертую при оборотах 1500 об/мин.
В первом случае момент, развиваемый двигателем на
всем протяжении разгона, находится в области высо-
ких удельных расходов топлива, и данный режим яв-
4-2012-5.indd 724-2012-5.indd 72 05.04.2012 16:05:2705.04.2012 16:05:27

3. πЛАНЕТА ЛЮДЕЙ
73http://www.ecolife.ru
ляется неэкономичным. Во втором случае частое пере-
ключение передач позволило за это же время переме-
стить момент в область более низких удельных расхо-
дов топлива, что, естественно, отразится на
экономичности.
Следует понимать, что интенсивность разгона авто-
мобиля зависит от разности момента, развиваемого
ДВС, и момента сопротивления движению. При этом
момент сопротивления, приведенный к валу двигате-
ля, зависит от номера передачи. На первой передаче
момент сопротивления минимален и, как следствие,
можно получить максимальное ускорение. Если же во-
дитель переключается на высшую передачу, тем самым
повышая приведенный момент сопротивления, то раз-
ница в моментах ДВС и сопротивления ниже, а уско-
рение не столь интенсивно. Используя это правило,
водители, выбирая номер передачи, могут непосред-
ственно жертвовать экономичностью в угоду динами-
ке или наоборот.
Какой же вывод следует из приведенных рассужде-
ний и расчетов? Анализ многопараметровой характе-
ристики ДВС сделал очевидным вывод, что эксплуата-
ция атомобиля в городе является крайне неэкономич-
ной. Даже оптимальный режим с частым переключе-
нием передач не позволяет надеяться получить в
городе расход топлива, близкий даже к минимально
возможному. Несмотря на это, сегодня доступным и
недорогим вариантом остается наращивание числа
ступеней в коробке передач, и на этом фоне более со-
вершенным представляется автомобиль с бесступен-
чатой коробкой передач — с так называемым вариато-
ром. Использование вариатора в бесступенчатой ко-
робке передач позволяет плавно изменять передаточ-
ное отношение между колесами и ДВС, удерживая его
обороты в экономичной области. При этом изменение
передачи вариатора приводит к изменению момента
сопротивления, приведенного к ДВС. Этот способ ре-
гулирования снижает расход топлива за счет работы
двигателя в более экономичных зонах при 2500–3500
об/мин, однако избежать его работы с низкими мо-
ментами, например при равномерном движении в го-
роде, не удается.
Следующий шаг по созданию «идеальной» энерго-
системы очевиден: удержание оборотов ДВС на уровне
2500–3500 об/мин и повышение момента вплоть до
максимального. Для этого необходимо использовать
дополнительную нагрузку для двигателя при не-
высоких мощностях движения. Таким образом, ДВС,
с одной стороны, будет загружен мощностью, необхо-
димой для движения автомобиля, а с другой — мощно-
стью дополнительной нагрузки. Простейшим решени-
ем такой полезной нагрузки является электрический
генератор, который позволяет сохранить энергию, вы-
рабатываемую ДВС, и накапливать ее в аккумуляторе.
Схема такой установки приведена на рис. 2. Здесь пер-
вичный вал вариатора дополнительно соединен с элек-
трической машиной, которая будет повышать момент
сопротивления, работая в режиме генератора и обеспе-
чивая работу ДВС в районе максимальной мощности.
При разгоне автомобиля мощность генератора
можно снижать, так как теперь ДВС работает на мощ-
ностях, близких к максимальным. Как было отмечено
выше, система представляется теоретически идеаль-
ной, однако из-за ряда проблем трудновыполнимой.
К недостаткам вариатора (дороговизне, сложности ис-
полнения, низкой надежности и низкому КПД, доста-
точно большим габаритам, некомфортными условия-
ми для водителя из-за работающего ДВС на постоян-
Рис. 1. Многопараметровая характеристика двигателя
внутреннего сгорания
Рис. 2. Схема гибридной энергоустановки с применением
вариатора
4-2012-5.indd 734-2012-5.indd 73 05.04.2012 16:05:3005.04.2012 16:05:30

4. πЛАНЕТА ЛЮДЕЙ
ЭКОЛОГИЯ И ЖИЗНЬ · 4(125)’201274
ной частоте) добавляется необходимость запасать до-
статочно большой объем электроэнергии.
Нетрудно рассчитать, что ДВС «Калины» мощно-
стью 59,5 кВт зарядит литий-ионную батарею массой
50 кг и удельной энергоемкостью 100 Вт·ч/кг за 5 мин
и вынужден будет остановиться. Кроме того, для при-
нятия заряда мощностью 59,5 кВт удельная мощность
батареи должна быть порядка 1200 Вт/кг. Современ-
ные литий-ионные аккумуляторы имеют удельную
мощность заряда около 600 Вт/кг, т. е. в нашей системе
необходимо повысить вес аккумулятора до 100 кг или
использовать ДВС на половинной мощности — ухо-
дить в менее экономичную зону. Можно также отклю-
чать ДВС или переводить его в режим холостого хода,
но если интенсивность заряда аккумулятора достаточ-
но высока, то отключение ДВС будет происходить
часто, что нежелательно.
Более благоприятной представляется работа ДВС
с постоянной номинальной мощностью (равной сред-
ней мощности движения) без отключения, т. е. в режи-
ме электростанции. Но для этого или батарея должна
быть более энергоемкой, или мощность ДВС суще-
ственно меньше. Еще одним недостатком является
стоимость литий-ионного аккумулятора. Стоимость
батареи массой 100 кг составляет 10–15 тыс. долл.,
а значит, использование ее в серийных автомобилях
трудно представить.
Применение перспективных накопителей энергии
на основе суперконденсаторов осложняется их низкой
удельной энергоемкостью. Хотя в публикациях упо-
минаются значения удельной энергоемкости новых
образцов супеконденсаторов до 30 Вт·ч/кг, выпускае-
мые сегодня модели имеют показатели всего
1,5–6 Вт·ч/кг в зависимости от назначения. Таким об-
разом, применение суперконденсаторов в гибридном
приводе ограничено и возможно лишь в определенных
режимах, например, для рекуперации энергии тормо-
жения и ее кратковременной отдачи при разгоне. Се-
годня стоимость суперконденсаторов приближается к
10 долл. за 1 кДж, что соответствует 6000 долл. для ба-
тареи суперконденсаторов в 100 кг. Несомненно, что с
развитием технологии производства и массовом вы-
пуске гибридов цена может стать существенно ниже,
но это все же потребует времени.
Возвращаясь к результатам расчета параметров ги-
бридного привода для «Калины», опять подчеркнем,
что использование ДВС с максимальным моментом
120 Нм и мощностью 59,5 кВт с точки зрения эксплуа-
тации автомобиля в городе крайне неэффективно. Не-
обходимая мощность в городском трафике в разы
меньше номинальной, а значит, ДВС эксплуатируется
при удельном расходе топлива в 2–3 раза выше мини-
мально возможного. Например, для «Калины» при
движении со скоростью 60 км/ч требуется мощность
всего 6 кВт, что составляет около 10% от номинальной,
а удельный расход топлива около 600–700 г/кВт·ч.
Отказаться же от применения мощного ДВС невоз-
можно из-за требования обеспечить высокую скорость
движения (160 км/ч) и интенсивность разгона (13 с до
100 км/ч). Таким образом, в ДВС современного авто-
мобиля заложен практически не используемый потен-
циал по мощности.
Возникает предложение: создать гибридный привод
и обеспечить движение автомобиля от альтернативно-
го источника энергии там, где ДВС неэкономичен,
а именно при частичных нагрузках. Эта задача может
быть реализована при использовании на автомобиле
дублирующего электропривода и энергоемкой акку-
муляторной батареи. При такой системе движение ав-
томобиля на малых скоростях осуществляется на элек-
тротяге, а на больших нагрузках — за счет ДВС. Недо-
статки системы были приведены выше — это тяжелая
и дорогая аккумуляторная батарея с высокими показа-
телями по мощности заряда. Существует и другой под-
ход: разгонять автомобиль за счет суперконденсатора
пока последний не разрядится, как бы задавая импульс
разгона, а затем продолжить разгон и равномерное
движение от ДВС. Такой алгоритм позволяет миновать
неэкономичную зону ДВС и включать его в работу уже
на высоких нагрузках.
К сожалению, обеспечить движение только за счет
батареи суперконденсаторов невозможно, что связано
с их низкой энергоемкостью. Расчет показал, что бата-
рея суперконденсаторов удельной энергоемкостью
1,5 Вт·ч/кг и массой 100 кг даже с учетом рекуперации
энергии торможения обеспечит пробег «Калины»
в городе до 3–5 км. При этом следует учесть, что масса
батареи 100 кг соответствует примерно одному пасса-
жирскому месту автомобиля. Нетрудно сделать вывод,
что проблема создания гибрида упирается в недорогой
накопитель электроэнергии с высокими удельными
значениями емкости и мощности. Запас энергии в ба-
тарее сразу позволил бы варьировать режимы работы
ДВС и электродвигателя и обеспечивать им благопри-
ятные режимы. Имея же возможность запасать энер-
гию торможения с высоким КПД, можно существенно
снизить расход топлива в городе, и 3–4 л на 100 км для
легкового автомобиля не кажется недостижимым.
Что касается схемы привода, то существует несколь-
ко принципиальных решений связи ДВС, электродви-
гателя и колес. Широко известно, например, решение
с помощью компактного планетарного редуктора, ко-
торый установлен на автомобиле «Тойота Приус».
Принципиальная схема такого привода изображена на
4-2012-5.indd 744-2012-5.indd 74 05.04.2012 16:05:3405.04.2012 16:05:34

5. πЛАНЕТА ЛЮДЕЙ
75http://www.ecolife.ru
рис. 3. Здесь момент ДВС повышается за счет работы
генератора, ротор которого соединен с солнечной ше-
стерней. Энергия, выработанная генератором и нако-
пленная в аккумуляторе, реализуется затем при движе-
нии до скоростей 20 км/ч или при интенсивном разго-
не, когда ДВС и электродвигатель работают вместе.
Планетарный редуктор одновременно играет роль бес-
ступенчатой коробки передач, так как увеличение на-
грузки на солнечной шестерне за счет момента на рото-
ре генератора приводит к передаче мощности на ко-
ронную шестерню, а значит, и на колеса. Таким обра-
зом, момент на колесах можно регулировать как за счет
мощности ДВС, так и за счет мощности генератора.
Создание «Приуса» было новым словом японских
инженеров в автомобилестроении, но проблема — не-
обходимость применения энергоемкой и дорогой бата-
реи с высокими мощностными показателями — остает-
ся. Следует также упомянуть о снижении КПД всей
системы «Приуса» за счет режима заряда и разряда ба-
тареи и потерь в электродвигателях. Так, потери в бата-
рее могут достигать 30% при заряде ее высокими тока-
ми и при низкой начальной степени заряженности.
Более совершенны суперконденсаторы, КПД заряда и
разряда которых, по разным источникам, достигает
95–100%. Поэтому будущее в гибридах, возможно,
именно за этими накопителями энергии.
Проанализировав схему «Приуса» на всех режимах
движения, можно отметить еще ряд недостатков.
В планетарном редукторе ДВС остается механически
связан с ведущими колесами, поэтому невозможно на
всех режимах получать от ДВС максимальный момент.
Например, при равномерном движении в городе тре-
буемый момент на коронной шестерне планетарного
редуктора составляет 5–10% от максимально возмож-
ного момента ДВС (рис. 3). Следовательно, нельзя,
просто нагружая генератор, получить на шестерне во-
дила (ДВС) максимальный момент, так как увеличе-
ние моментов на водиле и солнечной шестернях (гене-
ратор) приводит к передаче момента на колеса, кото-
рый может быть не востребован в данное время. Таким
образом, моменты ДВС и генератора всегда находятся
в зависимости от момента на ведущих колесах автомо-
биля. Таким образом, моменты ДВС, колес и генерато-
ра всегда строго зависят друг от друга. И мы опять
возвращаемся к проблеме недогруженного ДВС на не-
которых режимах движения, а значит, повышенного
расхода топлива.
Некоторые усовершенствования схемы, предложен-
ные инженерами «Тойоты», направлены на дополни-
тельное изменение передаточного числа между ДВС и
колесами за счет второго планетарного механизма, но
данные мероприятия, несомненно, усложняют кон-
струкцию. Кроме того, конструкция «Тойоты» весьма
сложна технологически, и не всем автомобильным за-
водам под силу производить столь уникальные изде-
лия, поэтому некоторым из них, видимо, придется
искать более простые решения. Еще раз напомним,
что в схеме гибрида с электроприводом, в том числе
в схеме «Приуса», невозможно избавиться от режима
постоянного заряда и разряда аккумуляторной бата-
реи, так как вся идея гибрида как раз построена на
этом процессе, а как замечено выше, КПД такого пре-
образования энергии весьма невелик.
Несмотря на очевидные трудности при создании
гибридных приводов, можно надеяться, что в конце
концов будет предложена простая и надежная кон-
струкция, решающая поставленные перед автомоби-
лем задачи. Поэтому гибрид, выполненный по той или
иной схеме, несомненно, составит конкуренцию се-
годняшнему автомобилю и, возможно, в ближайшее
десятилетие полностью его вытеснит. Проблема за-
ключается в поиске накопителя энергии и оригиналь-
ной схемы исполнения энергоустановки.
Литература
Сидоров К.М. Моделирование автомобиля с комбиниро-
ванной энергетической установкой на базе ГАЗ 2705// Элек-
троника и электрооборудование транспорта. 2007. № 4.
С. 14–16.
Гурьянов И.Д., Макаров А.К., Корчак С.А., Нгуен Куан
Тхиеу, Лю Чжи Кан. Трансмиссии гибридного электромоби-
ля/ Нетрадиционные электромеханические и электрические
системы: Сб. научн. тр. 4-й междунар. конф. Т. 3. — Szczecin,
1999. С. 1402–1404.
Рис. 3. Схема гибридной энергоустановки «Тойоты Приус»
4-2012-5.indd 754-2012-5.indd 75 05.04.2012 16:05:3805.04.2012 16:05:38